DE10237724A1

DE10237724A1 - Vorrichtung zur punktgenauen Zuordnung eines Werkzeugs zu einem Werkstück

Info

Publication number: DE10237724A1
Application number: DE2002137724
Authority: DE
Inventors: Kay Kindermann; Joachim Menlo Park Stilla; Jörn Trilk; Hubert Zausinger; Willibald Fürst; Walters Ngwa; Günther Schäfer; Patrick Esche
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-17
Filing date: 2002-08-17
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Vorrichtung zur punktgenauen Zuordnung eines Werkzeugs zu einem Werkstück, umfassend mehrere im Bereich des Werkstücks angeordnete optische Aufnehmer, an dem Werkzeug angeordnete Markierungen, eine Auswerteeinheit, die aus den mit den Aufnehmern gewonnenen Informationen bezüglich der Lage der Markierungen die Lage des Werkzeugs im Raum bestimmt und die ferner die Koordinaten mindestens einer Soll-Lage des Werkzeugs enthält, und eine optische Wiedergabeeinrichtung, die dieIst-Lage und die Soll-Lage des Werkzeugs darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur punktgenauen Zuordnung eines Schweiß-Werkzeugs zu einem Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Bau von Automobil-Prototypen werden von einem einzelnen Modell typischerweise nicht mehr als 2 oder 3 Exemplare hergestellt. Bei derart kleinen Stückzahlen lohnt sich eine Anfertigung mit Werkzeugen zur Massenproduktion wie z.B. Industrierobotern nicht, weshalb diese Prototypen meist in zeitaufwendiger Handarbeit gebaut werden.

Ein Teilaspekt dieses Prozesses ist das Bolzenschweissen. Dabei werden miteiner Bolzenpistole mehrere hundert Stahlbolzen von allen Seiten (auch unter dem Fahrzeug, in engen Innenräumen etc.) auf die Karosseriebleche geschweisst, deren Position etwa 1 mm Abweichung von der Idealposition aufweisen darf. Gegenwärtig wird diese Präzision erreicht, indem die Karosserieteile mittels passender Halterungen auf einer Messplatte fixiert und anschliessend die Bolzenpositionen mit Hilfe einer Reissnadel oder eines Laserpointers angezeichnet werden. Die Positionierung übernehmen zwei Messarme, die eine Präzision von ca. 0,01 mm erreichen müssen. Die Meßarme werden an Hand einer Liste für die vorgesehenen Positionen der Bolzen eingestellt. Der gesamte Vorgang dauert in der Regel mehrere Arbeitstage.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der beschriebene Vorgang des Anzeichnens und des Anbringens der Schweißbolzen vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dem Nutzer direct die jeweils nächste gewünschte Bolzenposition ohne umständliches Positionieren eines Messarms während des Schweissvorgang zur Verfügung gestellt. Durch die vorzugsweise als Kameras ausgebildeten optische Aufnehmer wird mit Hilfe der am Werkzeug angeordneten Markerierungen die Lage des Werkzeugs im Raum aufgenommen und mittels einer nachgeschalteten Auswerte-Software, die sich in der Auswerteeinheit befindet, bestimmt. Auf einer vorzugsweise als Bildschirm ausgebildeten optischen Wiedergabeeinrichtung wird die Ist-Lage und die Soll-Lage des Werkzeugs dargestellt. Eine Bewegung des Werkzeugs wird durch eine entsprechende Änderung der Ist-Lage gegenüber der Soll-Lage erkennbar. Es wird dadurch eine optische Hilfe für die einfache Positionierung des Werkzeugs an der jeweiligen Soll-Lage gegeben.

Die optische Hilfe kann noch dadurch verbessert werden, dass die Wiedergabeeinrichtung bei einer Bewegung des Werkzeugs die Annäherungstendenz für die Lageänderung des Werkzeugs gegenüber der Soll-Lage anzeigt. Bei der Bewegung des Werkzeugs wird damit auch visualisiert, in welche Richtung das Werkzeug zu bewegen ist. An Stelle oder ergänzend zu der optischen Widergabe kann auch eine akustische Anzeige eingesetzt werden. Durch eine Änderung der Tonfrequenz kann eine Verbesserung oder Verschlechterung der Annäherung an die jeweilige Bolzenposition verdeutlicht werden. Ein besonderer Ton kann darauf hinweisen, dass die optimale Position erreicht ist. Die Wiedergabeeinrichtung kann mit dem Werkzeug integriert oder stationär angeordnet sein. Im ersten Fall wird die Bewegung des Werkzeugs unmittelbar am Werkzeug erkennbar. Im zweiten Fall werden optische Verdeckungen z. B. der Marker durch die Wiedergabeeinrichtung vermieden Zugleich wird durch stationäre Positionierung der Wiedergabeeinheit die Zugänglichkeit des Werkszeugs erhöht.

Das Werkzeug kann vorzugsweise eine Bolzenschweißpistole oder aber auch eine robotorgesteuerte Schweißanlage sein. Hierbei wird der Endeffektor des Robotors mit Markierungen versehen, die wiederum von den Kameras erkannt werden. Weitere Anwendungsfälle sind im Bereich des Punktschweißens sowie des Nietens denkbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält mindestens eine Wiedergabeeinrichtung, auf der die jeweiligen Soll-Lagen der Bolzenkoordinaten als virtuelle Objekte relativ zum aktuellen Werkzeugstandpunkt angezeigt werden, und aus geeigneten Sensoren, die die aktuelle Position der Pistolenspitze in Echtzeit feststellen. Die eingesetzten optischen Aufnehmer (= Kameras) suchen typischerweise nach leicht erkennbaren speziellen Markierungen, die an geeigneten Stellen am Werkstück, am Werkzeug oder möglicherweise auch an anderen Stelle in der Szene angebracht werden. Wenn die jeweilige Kamera ständig mehrere dieser Markierungen im Blickfeld hat, kann sie sie nutzen, um mit Hilfe einer nachgeschalteten Auswerte-Software aus diesen bekannten " Landmarks" die jeweilige Ist-Lage des Werkzeugs relativ zum Werkstück dreidimensional zu berechnen.

Für das genaue Positionieren beispielsweise einer Schweißpistole ist die Information an der Spitze notwendig. Der Offset zwischen Spitze und Markierungsnullpunkt wird ebenfalls über die Auswerte-Software ermittelt.

An Hand der Zeichnung ist die Erfindung weiter erläutert. Es zeigt:
1 den schematischen Aufbau der erfindugsgemäßen Vorrichtung
2 den Aufbau von 1 im Detail
3 ein Benutzerinterface als Bestandteil der Vorrichtung von 1 und 2, und
4 eine im Rahmen der Erfindung verwendete Marlierung.
Die in 1 im Überblick und in 2 im Detail dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält vier Kameras 1–4, die aus ihren jeweiligen Sichtrichtungen die Position einer Schweißpistole 7 (2) verfolgen und diese Information einer nachgeschalteten Auswerte-Software (nicht gezeigt) zur Verfügung stellen. Wesentlich ist, dass die relative Position der Kameras 1–4 zueinander starr ist. Hierfür sind die Kameras an einem starren Rahmen 5 befestigt, der oberhalb einer Karosserie 6 aufgehängt ist. Eventuelle Schwingungen des gesamten Rahmens 5 sind irrelevant, da sie nicht die relative Position der Kameras untereinander verändern.
Um eine durch solche Schwingungen verursachte Verschiebung der Karosserie 6 relativ zu den Kameras 1–4 erkennen und kompensieren zu können, sind an der Karosserie selbst Kalibrierungsmarkierungen (schematisch dargestellt und mit 8 bezeichnet) befestigt. Somit ist es sogar möglich, dass die Karosserie 6 bewußt verschoben oder gedreht wird, ohne dass dies einen Einfluß auf die Genauigkeit hat, mit der die Position der Karosserie und der jeweiligen Soll-Lagen für die Schweißpistole 7 bestimmt bzw. vorgegeben werden.
Die am Rahmen montierten Kameras verfolgen einen auf der Pistole 7 angebrachten Markerbaum 9 und ermöglichen so der Auswerte-Software, die sich in einem Zentralrechner befindet, die Berechnung der exakten Pistolenposition. Der Rechner errechnet wiederum aus der Pistolenposition und der bekannten, idealen Bolzenposition (= bis auf den vorgegebenen, bekannten Abstand zwischen Markerbaum und Pistolenspitze gleich der Soll-Lage des Werkzeugs) die Differenz und stellt diese grafisch auf einer an der Pistole montierten Wiedergabeeinrichtung 10 dar.
Eine mögliche Visualisierung auf einer mit der Pistole integrierten Wiedergabeeinrichtung ist in 3 zu sehen.
Auf einem Display wird die Soll-Lage 11 eines Schweißbolzens und seine mit "Bolzen" wiedergegebenen Koordinaten X, Y und Z, die Ist-Lage 12 der Schweißpistole und ihre mit "Pistole" wiedergegebenen Koordinaten X, Y und Z sowie ein Pfeil 13 wiedergegeben, der die Richtung wiedergibt, in der die Pistole zu bewegen ist.
Zur exakten und robusten Bestimmung der Pistolenposition werden an der Pistole infrarot reflektierende Markierungen angebracht, die von den Kameras leicht erkannt werden können.
Eine Markierung, die eine besonders gute Erkennung der Pistolenposition ermöglicht, ist in 4 gezeigt. Dabei sind unsymmetrische reflektierende Kugeln 14 außen auf der Wand eines Gehäuses um die Pistole herum angebracht.
Verschiedene Alternativen zu der dargestellten Ausführungsform können wie folgt beschaffen sein:
An Stelle einer direkt an der Bolzenpistole montierten Wiedergabeeinrichtung könnte diese auch feststehend angeordnet werden. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Wiedergabeeinrichtungs durch die Schweißströme bzw. deren Magnetfeld vermieden werden und die Zugänglichkeit erhöht werden.
Die Wiedergabeeinrichtung kann alternativ weiterhin an der Pistole montiert bleiben, jedoch sorgt ein kleiner Schwenkarm (nicht dargestellt) für zusätzlichen Abstand zwischen Wiedergabeeinrichtung und Pistole, so dass das auf die Wiedergabeeinrichtung wirkende Magnetfeld ausreichend schwach ist. Diese Option bietet ausserdem zusätzliche Flexibilität bei der Positionierung der Wiedergabeeinrichtung während der Arbeit.
Anstatt einer konventionellen Wiedergabeeinrichtung kann auch eine Head-Mounted Wiedergabeeinrichtung eingesetzt werden, die z.B. in die Schweissbrille integriert werden kann (nicht gezeigt). Die Soll-Lage des Bolzens wird als Überlagerung der virtuellern Bolzenposition mit der realen Karosserie in das Sichtfled des Benutzers eingeblendet.

Claims

Vorrichtung zur punktgenauen Zuordnung eines Werkzeugs zu einem Werkstück, umfassend mehrere im Bereich des Werkstücks angeordneten optische Aufnehmer, an dem Werkzeug angeordnete Markierungen, eine Auswerteeinheit, die aus den mit den Aufnehmern gewonnenen Informationen bezüglich der Lage der Markerierungen die Lage des Werkzeugs im Raum bestimmt und die ferner die Koordinaten mindestens einer Soll-Lage des Werkzeugs enthält, und eine optische Wiedergabeeinrichtung, die Ist-Lage und die Soll-Lage des Werkzeugs darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergabeeinrichtung bei einer Bewegung des Werkzeugs die Annäherungstendenz für die Lageänderung des Werkzeugs gegenüber der Soll-Lage anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergabeeinrichtung mit dem Werkzeug integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergabeeinrichtung stationär angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Bolzenschweißpistole ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Aufnehmer in einem Rahmen befestigt sind, der über dem Werkstück hängt.